困扰科学家几十年的中微子之谜

从运动学理论可以知道，当一个粒子衰变为两个粒子时，动量和动能守恒，所以末态粒子的能量应为确定值。1914年，英国物理学家查德威克在实验中发现，β衰变中放出的电子，有各种不同的能量。对这一奇特现象，德国著名的女物理学家迈特纳认为：原子发射的电子能量都具有观察到的最大值，最终观察到的是电子经过别的过程损失一定能量后的次级电子。但实验结果表明，看不到次级发射的其他能量。由此可见并没有什么次级过程起作用的迹象。

面对这种困惑，玻尔对能量守恒理论提出质疑。玻尔的主张遭到激烈的反对，狄拉克表示：“我宁可不惜任何代价来保持能量的严格守恒。”泡利也不同意玻尔的观点，1930年，他提出：β衰变中，可能存在一种电中性的粒子带走了电子一部分能量。泡利的这一建议是很大胆的，因为这样的粒子是很难直接探测出来的，但这一假设最终使人们摆脱了有关核结构理论及β衰变所遇到的困境。

1933年10月的索尔维会议上，泡利再次介绍了他对这个新粒子的看法。尽管海森伯还持有怀疑态度，费米却对它做了肯定，并且已经认识到它与中子的区别。会议后的仅两个月，费米即在核的质子β中子模型的基础上，发表了有关β衰变的理论。不仅圆满地解释了整个β衰变过程，澄清了有关β衰变的疑难，同时也确立了有关核结构的理论。按照费米的理论，在β衰变里，中微子总是和电子在一起放出来，它们不都是原子核中原有的成分。基本的β衰变可以写成：

其中的p是质子，n是中子，e是电子，是反中微子。

1934年，约里奥·居里夫妇用α射线照射27Al，结果除了发现当时有中子产生外，移去射线源后，靶物质还继续发出正β射线，从而第一次获得了人工放射性。方程为：

同年，人们发现，在费米理论的相互作用里，允许原子核里发生如下过程：

这些实验证实了费米β衰变理论的正确性，同时能量守恒定律又一次获得确认。(www.xing528.com)

中微子只参加弱相互作用，且穿透能力极强，几乎可以不受任何阻碍地穿过地球。这使得中微子探测极为困难。1941年，中国物理学家王淦昌首先提出了一种反冲测量的方法。这是一种确定中微子的间接方法。他指出：“当一个β+放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个K层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放射的中微子，原子核外电子的效应可以忽略不计。于是，只要测量反应后原子的反冲效应对所有的原子都是相同的。”1942年，美国物理学家艾伦按照王淦昌的方案进行了测量，取得了肯定的结果，但并未完全成功。1952年，罗德拜克和艾伦又重新进行了K俘获实验，测出了原子的反冲能。这一年戴维斯成功地重复了艾伦1942的实验，也获得了成功。这样，确定中微子存在的间接检验得到了实验上的支持。

在核反应中，中微子的发射数量级极大，它们是在核裂变中子产物的β衰变中产生出来的。通过对核裂变产物的探测，有可能看到中微子的存在。1956年，这个中微子终于被洛斯阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩与莱因斯（1918～1998）首先在核反应堆中检测到。最后的实验是他们在1959年美国原子能委员会所属的赛凡纳河工场完成的，这个实验确实巧妙地证实了反中微子的存在，它的结果很快被粒子物理学界承认，它也被列为20世纪物理学的重要实验之一。莱因斯也因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

为了进一步探测中微子，人们把目光转向了宇宙。最早进行实验的是美国布鲁克海文国家实验室的物理学家戴维斯等人，他们首先用四氯化碳（C2C14）作为探测介质，中微子与之相撞后：

反应生成37 Ar，Ar是惰性元素，一旦生成后便自动脱离氯分子，聚合为小氩气泡。37 Ar具有放射性，即使量很小，也能因为它具有的放射性而被识别出来。戴维斯利用这个装置终于证实了中微子的存在。1958年，李政道、杨振宁、费因曼和莱德曼等人发现，μ子与电子十分相似，只是二者的质量不同。这相似性意味着什么呢？1959年，美苏科学家找到了获取大量中微子的办法，即用加速器产生高能质子，再用这些质子轰击适当的靶，通过产生大量π介子衰变获得大量的中微子。

1962年，美国的施瓦茨（1932～2006）、莱德曼和斯坦博格在布鲁克海文的加速器上的实验中证实了νe和νμ是两种不同的中微子。70年代中期，在美国斯坦福的直线加速器中心的名叫SPEAR的正负电子对撞机中，佩尔小组发现了一种新的轻子——τ子，其质量为1777兆电子伏，与电子、μ子是同一家族，同时，还得到了另外两种中微子——中国高能物理研究所的郑志鹏等人在北京正负电子对撞机上也对τ子的质量进行了重新测定，得到十分精确的数值。这样中微子的家族就有了6个成员：为了确定自然界中中微子的种类，70年代以来科学家们通过很多途径进行研究：对恒星演化的研究、对宇宙中He丰度的研究、对超新星爆发的电子中微子总能量的研究等，中微子由电子中微子、μ子中微子和τ子中微子等3种中微子组成。

1987年2月23日7时23分随着超新星爆发，SN1987A的中微子到达地面而诞生了中微子天文学。SN1987A是人类观测到银河系外第一个中微子发射源，随着更大型中微子探测装置的建立，人类将获得更多的来自宇宙深处的中微子的信息。天体内部的信息只有中微子才能带出来，中微子天文学将在21世纪大放光彩。